JP2001058401A

JP2001058401A - インクジェットヘッド

Info

Publication number: JP2001058401A
Application number: JP23370799A
Authority: JP
Inventors: Zenichi Akiyama; 善一秋山
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1999-08-20
Filing date: 1999-08-20
Publication date: 2001-03-06

Abstract

(57)【要約】【課題】液室や振動板の形状や厚さを制御することを
容易にし、噴射特性のバラツキがなく、更には、その設
計の自由度を向上することができるインクジェットヘッ
ドを提供する。【解決手段】噴射すべき液体を保持するための液室１
１が施され該液室の壁面の一部が振動板１２に形成され
たＳｉ単結晶基板１０と、前記振動板１２上に形成され
た下部電極２１，圧電膜２２，上部電極２３よりなる圧
電素子２０と、前記液室１１に連通するノズル及び流体
抵抗流路とを有し、前記圧電素子にて前記振動板１２を
たわませて前記液室１１の容積を変化させ、インクを噴
射させる。前記液室の配列方向の長さをＬ、前記液室の
奥行き方向の長さをＷ、前記圧電膜の厚みをＴｐ、前記
振動板の厚みをＴｖとしたとき、１）５＜Ｗ＜Ｌ＜８０２）Ｔｐ＞Ｔｖ３）Ｌ／（Ｔｐ＋Ｔｖ）＝α（１／Ｌ^0.333）、１８＜
α＜７４の関係を満たす。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、Ｓｉ単結晶基板に
液室加工を施し、圧電素子を用いてインク滴を噴出する
インクジェットヘッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】インクジェットプリンタに使用されるプ
リンタヘッドのアクチュエータとして、加圧液室壁に設
けた圧電素子の変位によって、該加圧室の体積を変化さ
せるようにしたものが知られている。特公昭６２−２２
７９０号公報においては、液室に対応した個所の壁厚を
薄くした基板上に電極を形成し、スパッタリング，印刷
などの膜形製法により、前記液室に対応した個所の壁に
ＰＺＴ膜を形成する、インクジェットヘッドの製造方法
が開示されている。特開平６−４００３５号公報におい
ては、加圧液室をグリーンシートにて積層形成して一体
焼成することにより、接着剤を使用せずに加圧液室を作
製し、その後、スクリーン印刷などの手法により圧電素
子を配置させており、生産性に優れた圧電／電歪アクチ
ュエータを提案している。この関連発明として、特開平
７―１４８９２１号公報においては、ノズルピッチが３
６ｄｐｉ相当のヘッドが示されている。

【０００３】今後は、更に高画質，印字速度の高速化の
要請により、ヘッドの集積度（ノズルピッチ）のものが
実現されていくものと予想され、具体的には、ノズルピ
ッチが９０ｄｐｉ相当のもの、更には、１２０ｄｐｉ，
１５０ｄｐｉのものが予想される。

【０００４】上述のようなノズルピッチの高密度化の要
請に対して、上記の従来方式では、以下に記す原理上の
制約により実現不可能であることが容易に類推される。
即ち、液室の配列方向の長さ（これはノズルピッチに反
比例する長さ）をＬとした場合、振動板の撓み変位量は
Ｌ⁴に比例する。このノズルピッチ（ｄｐｉ）と変位量
の関係を求めると、表１の結果を得る。

【０００５】

【表１】

【０００６】表１に示すように、ノズルピッチの増加に
伴い、例えば、６０ｄｐｉから９０ｄｐｉに集積化した
場合、変位量は約１／５に減少してしまう。この程度の
減少においては加圧液室の長辺長を５倍に設計すること
により、体積変化量を稼ぐことが可能と思われるが、液
室奥行き方向の長さＷの増加は単一基板上から取れるチ
ップ数の減少（スループットの減少）、歩留まりの低下
やヘッド自身の巨大化を招き、好ましくない。

【０００７】これら高密度化の対応策として、振動板の
総厚さ（圧電膜厚みＴｐと振動板厚みＴｖの和）の薄層
化が考えられる。変位量は振動板総厚さの３乗に反比例
する。表２にジルコニアグリーンシートの厚さに着目し
た振動板の厚さに対する撓み変位量の値を示す。

【０００８】

【表２】

【０００９】即ち、表１で示した集積化に伴う最大変位
量の減少は振動板厚さを薄層化することで改善できうる
ことが分かる。しかし、このような振動板の薄層化をジ
ルコニアグリーンシートの積層体で得ることは困難であ
る。それは、第１に、加圧液室に相当する空隙をグリー
ンシートの打ち抜き加工で形成する際の加工性からの限
界。第２に、振動板シート１０μｍ以下の形成とそのハ
ンドリングの困難さ、である。特に、振動変位のバラツ
キを振動板厚さに配分すると、厚さの均一性は中心厚さ
±３％の制度が要求されるため、中心厚さの減少は飛躍
的な加工精度を要求する。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明者ら
は、上述のような理由により、１２０ｄｐｉ以上の集積
化の実現にはジルコニアシートでの作製は好ましくない
という結論に至った。

【００１１】本発明は、その対策として、マイクロマシ
ン加工が可能であるＳｉ単結晶を基体に用いることで上
記課題を解決することを基本としている。

【００１２】国際特許出願ＷＯ９３／２２１４０号にお
いては、圧電素子を用いて液体を噴射する液体噴射ヘッ
ドで、特に、ＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛圧電セラミ
ックス）薄膜圧電素子を用い、小型化，高密度化，液体
噴射特性の向上を図り、かつ、優れた製造性を有する液
体噴射ヘッドとその製造方法に関するものが提案されて
いる。具体的には、液室上には薄い振動板と下部電極，
圧電膜，上部電極からなる薄い圧電素子が形成され、こ
れらが同一の基板上に複数個配置されている。そして、
液室の配列ピッチとノズルの配列ピッチとは同一である
とともに、液室寸法，圧電膜の厚み，振動板の厚みが特
定の関係になるように構成されている。

【００１３】しかしながら、前記従来技術による液体噴
射ヘッド、その構成要素、それらの製造方法において
は、以下に示すような解決されるべき問題がある。ＷＯ
９３／２２１４０号においては、請求項中に構成要素の
厚み設定はないものの、実施例中のＰＺＴ厚みＴｐが最
大で４μｍ、振動板厚みＴｖが最大で５μｍと設定さ
れ、特に、実用可能な範囲として、Ｔｐ＋Ｔｖが６μｍ
と示されており、この値が１０μｍ程度以上の領域につ
いて念頭におかれていないことは明確である。Ｔｐ＋Ｔ
ｖが１０μｍ程度以下であれば、無負荷時の最大変位は
稼げるものの、振動板部位の剛性が低下し、液体噴射に
要求されるエネルギーは得られなくなる。

【００１４】更に、前記従来技術には、液室に対応した
個所に薄い振動板を形成し、その上にＰＺＴを形成する
製造方法であるが、本発明者らの実験によれば、液室，
振動板を形成した後にＰＺＴを形成する方法において、
前記Ｔｐ＋Ｔｖを更に厚くした場合、例えば、Ｔｐを１
２μｍ、Ｔｖを６μｍにした場合、これをスパッタリン
グ形成で行った場合、所望する膜厚を得るための膜形成
時間が１２時間以上を要し、また、成膜時の熱履歴、及
び、圧電特性の向上として施される熱工程により、破
壊，剥離等の現象が起こり、液体噴射ヘッドの製造歩留
まりが極端に低下した。

【００１５】本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みて
なされたものであり、（１）効率的な液体噴射動作をさ
せることを可能とし、ノズル数を増やしても平面的に小
型で、ノズル高密度化の図られたインクジェットヘッド
を提供すること、（２）液室や振動板の形状や厚さを制
御することを容易にし、噴射特性のバラツキがなく、更
には、その設計の自由度を向上することができるインク
ジェットヘッドを提供すること、を目的としてなされた
ものである。

【００１６】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、噴射
すべき液体を保持するための液室加工が施され該液室上
に振動板が形成されたＳｉ単結晶基板と、振動板上に形
成された下部電極，圧電膜，上部電極よりなる圧電素子
と、前記液室に連通するノズル及び流体抵抗流路を有
し、前記液室ノズル，液体抵抗流路，振動板，及び、圧
電素子が複数個配列されてなり、前記圧電素子に電界を
印加して前記振動板をたわませて前記液室の容積を変化
させることにより、前記液体抵抗流路を介して前記液室
内に供給された液体を前記ノズルより外部に噴射させる
インクジェットヘッドにおいて、前記液室の配列方向の
長さをＬ、前記液室の奥行き方向の長さをＷ、前記圧電
膜の厚みをＴｐ、前記振動板の厚みをＴｖとしたとき、１）５＜Ｗ＜Ｌ＜８０２）Ｔｐ＞Ｔｖ３）Ｌ／（Ｔｐ＋Ｔｖ）＝α（１／Ｌ^0.333）、１８＜
α＜７４の関係を満たすことを特徴としたものである。

【００１７】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、前記液室の配列方向における前記上部電極の長さＬ
ｕｐと、前記液室の配列方向における圧電膜の長さＬｐ
と、液室の配列方向における下部電極の長さＬｌｏと、
前記液室の配列方向の長さＬとの関係を４）Ｌｕｐ≦Ｌｐ＜Ｌ５）Ｌｌｏ＞Ｌとしたことを特徴としたものである。

【００１８】請求項３の発明は、請求項１又は２の発明
において、前記圧電素子における構成層であるところ
の、下部電極，圧電膜，上部電極において、前記上部・
下部両電極に挟み込まれている前記圧電膜への一方の電
極が、層間絶縁膜，コンタクト孔を介して接続されてお
り、液室の配列方向におけるコンタクト孔の長さＬｃ
が、６）Ｌｃ≦Ｌｐの関係にあることを特徴としたものである。

【００１９】請求項４の発明は、請求項１乃至３のいず
れかの発明において、前記Ｓｉ単結晶基板において、前
記液室形成用の第１の凹部加工が、深さＤ１、液室の配
列方向における幅Ｗｖ１として片面より施され、対向す
る面からも第２の凹部加工が、深さＤ２、幅Ｗｖ２とし
て施され、この関係が、７）Ｄ１＞Ｄ２８）Ｗｖ１≦Ｗｖ２の関係を持って形成される振動板構造を有することを特
徴としたものである。

【００２０】

【発明の実施の形態】本発明のインクジェットヘッド
は、圧電膜としてＰＺＴ系圧電セラミックスを用い、更
に、液室の配列方向の長さをＬ、前記液室の奥行き方向
の長さをＷ、前記圧電膜の厚みをＴｐ、前記振動板の厚
みをＴｖとしたとき、１）５＜Ｗ／Ｌ＜８０２）Ｔｐ＞Ｔｖ３）Ｌ／（Ｔｐ＋Ｔｖ）＝α（１／Ｌ^0.333），ただ
し、１８＜α＜７４の関係を満たすことを特徴としており、このようにする
ことによって、液体噴射効率に優れるとともに、ノズル
の高密度化，インクジェットヘッドの小型，高集積化を
図ることができる。

【００２１】また、液室の配列方向における上部電極の
長さＬｕｐと、液室の配列方向における圧電膜の長さＬ
ｐと、液室の配列方向における下部電極の長さＬｌｏ
と、前記液室の配列方向の長さＬとの関係を４）Ｌｕｐ≦Ｌｐ＜Ｌ５）Ｌｌｏ＞Ｌとなるように構成しており、このことにより、製造プロ
セス上の問題がなく、かつ、振動板を効率的に変形させ
ることができ、インク噴射を効率的に行うことができ
る。

【００２２】また、下部電極，圧電膜，上部電極で圧電
素子の構成層を形成し、前記両電極に挟み込まれている
圧電膜への一方の電極が、層間絶縁膜，コンタクト孔を
介して接続されており、液室の配列方向におけるコンタ
クト孔の長さＬｃが、６）Ｌｃ≦Ｌｐとなるように構成しており、このことにより、製造プロ
セス上の問題がなく、かつリーク電流が押さえられた圧
電素子を構成することが可能である。更に、上部電極か
らの電極の取り出しを容易に行うことができる。

【００２３】また、液室形成用の第１の凹部加工が、深
さＤ１、液室の配列方向における幅Ｗｖ１としての片面
より施され、また、対向する面からも所望する深さにて
第２の凹部加工が、深さＤ２、幅Ｗｖ２として施され、
この関係が７）Ｄ１＞Ｄ２８）Ｗｖ１≦Ｗｖ２となるように振動板構造を構成しており、このことによ
り、振動板の加工制度を向上させ、平面の凹凸を減少さ
せ、安定した組み立てを可能にしている。

【００２４】図１は、本発明が適用されるピエゾオンデ
マンド型インクジェットヘッドの基本構成の一例を示す
図で、図１（Ａ）は複数個列状に設けられる液室の長手
方向断面図、図１（Ｂ）は平面図（図１（Ａ）のＢ−Ｂ
線より見た図）で、図中、１は振動板、２は加圧液室、
３は蓋部材、４は共通インク流路、５はノズル板、６は
ノズル、７は共通インク流路形成板、８はノズル連通
穴、９はインク供給口（液体抵抗流路）、１０は液室基
板、２０は圧電素子で、周知のように、圧電素子２０に
よって振動板１を変形させることにより、加圧液室２内
部の圧力を高め、ノズル６からインクを吐出するもので
ある。インクは複数の液室の上部にまたがって設けられ
た共通インク流路４を通り、各液室２に、各液室２に対
して１つずつ設けられたインク供給口（液体抵抗流路）
９から供給される。図１に示した構成のインクジェット
ヘッドの場合、インク供給口９は加圧液室２に設けられ
た板状の蓋部材３に穿孔された貫通孔で、この貫通孔の
径が小さすぎると液体抵抗が大きくなり、大きすぎると
ノズル６から吐出するインク量が減って吐出効率が低下
する。

【００２５】（実施例１）図２は、本発明の実施例にお
けるインクジェットヘッドの層構成，形状を示す図で、
図中、１０はＳｉ単結晶の液室基板で、該Ｓｉ単結晶の
液室基板１０のＳｉ加工により、液室１１，隔壁１２，
振動板１３（隔壁１２と振動板１３により振動部位を形
成している）等が形成される。また、２０は圧電素子
で、該圧電素子２０は下部電極２１，圧電膜２２，上部
電極２３から構成されている。なお、この液室１１を閉
塞し、かつ、前記液体抵抗流路，ノズル部に連結するノ
ズル連結穴を有する共通インク流路形成板、前記共通液
室，前記ノズルを有するノズル板等は省略してある。

【００２６】図２に示したインクジェットヘッドの動作
を簡単に説明すると、下部電極２１と上部電極２３の間
に電圧を印加し、下部電極２１，圧電膜２２，上部電極
２３よりなる圧電素子２０、及び、振動板１３を変形さ
せ、液室１１の体積を減少させ、該液室１１内に充填さ
れているインクをノズル連結穴に押し出し、ノズルより
インクを噴射する。

【００２７】以下、製造工程に従って、本発明のインク
ジェットヘッドを詳細に説明する。図３（Ａ）〜図３
（Ｃ）は本発明の実施例における、単結晶Ｓｉの液室基
板１０に圧電素子２０及び液室１１を形成するまでの製
造工程を示す断面図である。尚、この断面図において、
紙面に垂直な方向が液室の奥行き方向となる。面方位
（１１０）の単結晶Ｓｉ基板１０を水蒸気酸化にて熱酸
化膜１０ａを３００ｎｍ、該基板１０の両面に形成す
る。振動板部位は、図３（Ｃ）に示すように、このＳｉ
熱酸化膜１０ａ（図２に示した振動板１３に対応）と、
Ｓｉ基板１０の薄膜部１０ｂ（図２に示した隔壁１２に
対応）から構成される（この薄膜１０ｂと熱酸化膜１０
ａとにより振動部位を形成する）。または、Ｓｉ基板１
０に第２の振動板膜として、例えば、窒化珪素を化学気
相成長法にて成膜、また、窒素雰囲気中にて８００℃の
熱処理を施し、形成してもよい。

【００２８】そして、振動板１０ａ（１３）上に、下部
電極２１をスパッタリング法にて、密着層をタンタル、
及び、窒化タンタル膜を５０ｎｍ以下の膜厚にて、白金
−ロジウム合金膜を３００ｎｍに形成する。密着層とし
ては他にチタンやその窒化膜を、また白金膜やイリジウ
ム膜、更には白金と白金族元素からなる合金膜やその酸
化膜を用いてもよい。次に、圧電膜２２としてＰＺＴを
厚み４μｍ以上に形成する。圧電膜組成はＰＺＴ（５２
／４８）Ｎｂ０.５ｗｔ％添加品を用いた。なお、この
圧電膜は、その他の鉛系圧電体でもよく、例えば、ガス
ジェットデポジション法によって堆積する。ガスジェッ
トデポジション法による圧電膜形成は圧電膜微粒子を音
速程度に加速させ、基板に噴射、堆積させるもので、そ
の特徴は、プロセスの低温化や今までの膜形成技術，ス
パッタリング，ＣＶＤ，ｓｏｌ−ｇｅｌなどでは形成困
難である数μｍ以上１ｍｍ以下の厚さ領域にて、良好な
厚膜を得る厚膜形成技術である。このようにして、圧電
膜を形成し、その上に、上部電極２３を配置すること
で、図３（Ｂ）に示す構成を得る。

【００２９】その後、基板背面側の熱酸化膜１０ａをフ
ォトリソグラフィ・エッチングにて液室形状に対応する
開口部を設け、酸化膜層１０ａをフッ酸と弗化アンモニ
ウムからなる緩衝水溶液にてパターニングし、開口部１
０ｃ（図２に示した液室１１に対応）を得る。水酸化カ
リウム水溶液に浸漬し、酸化珪素層の開口部１０ｃから
単結晶Ｓｉ基板１０の異方性エッチングを行い、液室１
１（１０ｃ）を形成する。このとき単結晶基板１０の面
方位が（１１０）であることから液室１１の奥行き方向
の辺を形成する側壁面を（１１１）面とすることができ
る。水酸化カリウム水溶液を用いた場合、Ｓｉの（１１
０）面と（１１１）面の溶解速度の比は３００：１程度
となり、３００μｍの掘り深さをサイドエッチング１μ
ｍ程度に抑えて形成することができ、液室１１が形成さ
れ、図３（Ｃ）に示す構成図を得る。

【００３０】（実施例２）図４に、第２の実施形態であ
るインクジェットヘッドの構成を示す。前述の実施例１
において、圧電膜形成工程まで同じ工程にて形成され
る。圧電素子としての上部電極配置は、図４中の、層間
絶縁膜２４にコンタクトホール２５を形成させ、そのコ
ンタクト開口部を介して圧電膜２２の表面と、上部電極
２３が電気的に導通される構造を持つ。層間絶縁膜２４
としては、フォトリソグラフィに用いられるノボラック
系感光性樹脂や、感光性ポリイミド樹脂、またはゴム系
のイソプレン系ネガ型フォトレジストと知られている材
料やウレタン系樹脂でも構わない。これら層間絶縁膜２
４は振動変位の拘束をしないことが望ましく、従って、
材料のヤング率はおおむね圧電体のそれに対し、十分低
いことが望ましく、特に、１桁ほど低い０.５×１０¹⁰
以下の材料が好適である。また、用いる樹脂に感光性を
付与させ、通常のフォトリソグラフィにて開口加工がで
きうることは、素子製造の面からして好適である。具体
的には、日本合成ゴム社製のポジ型厚膜フォトレジスト
により、膜厚３μｍ以上の層間膜、並びにコンタクト開
口を行った。その後、２８０℃のキュア処理を施し、耐
候性、電気絶縁性に優れた層間絶縁膜を配置した。層間
絶縁膜２４、及び、コンタクトホール２５を介しての電
気的接続により、直流での絶縁耐圧が１２０ｋＶ／ｃｍ
と向上し、これは、前述の素子が電極端面での絶縁破壊
により６０ｋＶ／ｃｍ程度であったのが、２倍の向上を
示した。

【００３１】上記の構造を採用することで、圧電膜パタ
ーンに対し、１μｍ以下の精度にて上部電極との電気的
接続が可能となり、素子作製における重ね合わせ精度の
飛躍的な向上をもたらした。即ち、撓み振動変位を与え
る圧電膜幅は、上部電極幅に制限される。有効な設計の
配置に対し（後述）圧電膜幅とほぼ同じ幅が、変形効率
に有効であるものの、圧電幅と電極幅における重ね合わ
せ精度を考慮した設計を取る場合、Ｌ＝１２０μｍ，Ｌ
ｐ＝９６μｍで、従来は、マージンを考慮した電極幅Ｌ
ｌｏ＝８０μｍが選定されていたが（この場合の重ね合
わせ精度は±８μｍ）、前述の精度の下にコンタクト幅
Ｌｃ＝９４μｍを採用することで、最大変位量は約５％
の向上を示した。

【００３２】また、この構造は、次の上部電極形成にお
いて、形成方法の簡素化にも有効で、従来がフォトリソ
グラフィ・エッチングにより電極パターンを形成してい
たが、液室集積度１２０ｄｐｉ相当ではピッチが約２１
０μｍであり、従って、メタルマスク蒸着による個別化
された電極膜形成が可能になり、工程の短縮に寄与し
た。更に、後述する（実施例３）ように、コンタクト部
の研磨による開口では、自己整合的にＬｐ＝Ｌｃが得ら
れ、従って、層間絶縁膜・コンタクト開口部構造を有す
る本発明のインクジェットヘッドの最適寸法の表現はＬｃ≦Ｌｐとなる。また、このときの上部電極幅ＬｕｐはＬｕｐ≧Ｌｃとなる。

【００３３】（実施例３）図５に、本発明の第３の実施
例であるインクジェットヘッドの構成を示す（ただし、
熱酸化膜１０ａ（１３）、下部電極２１は省略してあ
る）。前述の実施例１，２においては、Ｓｉ振動板部位
を片側からのエッチング加工にて作製していた。本実施
例では、第１の溝加工を液室配列方向に幅Ｗｖ１、深さ
Ｄ１で加工し、また、対向する面より第２の溝加工をＷ
ｖ２，Ｄ２にて処理を行った。これはＳｉ基板の大面積
加工に対し、均一なＳｉ振動板部位を形成するためのも
のであり、加工の自由度を増すことにより、歩留まりの
向上を改善したものである。具体的には以下の手順にて
製造した。

【００３４】３００μｍのＳｉ単結晶基板１０に、第１
の溝加工としてＷｖ１が１２０μｍ、Ｄ１が２８０μｍ
の深さになるように、先の実施例で示したように、Ｓｉ
熱酸化膜の開口と水酸化カリウム水溶液による異方性エ
ッチングを施し、形成した。次に、第２の溝加工とし
て、反対面より、同様に、Ｓｉ熱酸化膜の開口とエッチ
ング処理を行い、所望する７μｍの振動板部位を形成す
る。このときのＷｖ２はＷｖ１以上の幅にて、深さＤ２
はＤ１より小さい値で処理される。第１の溝加工により
形成される、振動板部位の厚さは、初期Ｓｉ基板の厚さ
分布を反映し、残膜厚は場合として中心膜厚±３μｍの
バラツキを有する。従って、第２の溝加工はＣＤＥやＲ
ＩＥ等のドライエッチングにてこのバラツキを補正する
ように加工される。ＳＦ₆等を用いたドライエッチング
ではＳｉ熱酸化膜に対しＳｉのエッチング速度比は１：
１３０ほどが得られ、十分な加工ができる。

【００３５】Ｗｖ１とＷｖ２の関係は振動変位が振動板
幅に影響を及ぼすため、写真製版の重ね合わせ精度を吸
収できるよう、かつ、素子の集積化を低下させることな
く決定されなければならない。Ｗｖ１＝Ｗｖ２と設計し
たとき、集積度に関してはもっとも好ましい。しかし、
重ね合わせ精度が５μｍ程度であり、両幅を等しくした
ところ、処理バッチ間５μｍの変動がランダムに発生
し、この振動板幅が１５０ｄｐｉでの採用される幅１２
０μｍに対しては、４.２％の変動を与える。振動変位
は幅の４乗に比例するため、この範囲での変動は、結果
として、１５％のバラツキを与えてしまう。従って、重
ね合わせ精度の２倍ほど、どちらかの幅を広くすること
が必須になる。また、Ｗｖ１＜Ｗｖ２と、第２の溝にこ
の関係を採用したのは以下の理由からである。Ｗｖ１を
重ね合わせ精度の２倍に相当する幅に広げることで、閉
塞板との接合面積減少を防ぐため、また第２の溝加工に
より低いアスペクト加工を実現するためである。

【００３６】上述のようにして、Ｓｉ振動板部位を形成
した後、熱酸化によりＳｉ酸化膜を形成し、前述の実施
例１もしくは２と同様の工程を得て圧電膜形成まで実施
した。圧電膜の堆積膜厚は第２の溝加工深さＤ２より大
きい値の膜厚を堆積する。次に、層間絶縁膜２４として
樹脂を成膜し、研磨により平坦化処理を行う。このとき
の研磨終点は下部電極が露出する以前に終了させる。こ
のようにして圧電膜２２が露出している部分は、実施例
２で示すコンタクト開口処理が不要であり、自己整合的
に、上部電極コンタクト面２３が、圧電素子膜表面と一
致し、高密度化に対して有利となった。

【００３７】（実施例４）次に、液室，電極寸法，圧電
膜の厚み・寸法，振動板の厚み等の関係について説明す
る。本発明者は、前述のインクジェットヘッドを用いて
液体噴射実験を行ったところ、様々な知見を得た。本発
明者は、まず、液室１１，下部電極２１，ＰＺＴによる
圧電膜２２，上部電極２３の平面的な位置関係を設定し
た。まず、下部電極２１と圧電膜２２，上部電極２３に
関して、前記製造工程に従って、上部電極形成工程まで
行い評価してみた。下部電極２１より上部電極２３が大
きい場合と、その逆の、上部電極２３より下部電極２１
が大きい場合とを比べてみると、前者は電極間リーク電
流密度において２桁ほど後者に比べて大きくなっている
ことが分かった。

【００３８】更に、上部電極２３より下部電極２１が大
きい場合において、ＰＺＴ膜２２が下部電極２１より大
きい場合と、ＰＺＴ膜２２が下部電極２１より小さい場
合においては、前者はＰＺＴ膜端部が下地膜界面から反
応、及び剥離が発生してしまったのに対し、後者はこの
ような剥離等の故障がなく形成できた。従って、以上の
結果から上部電極幅≦ＰＺＴ膜幅＜下部電極幅の大小関係とすることが分かった。即ち、Ｌｕｐ≦Ｌｐ＜Ｌという関係にすることが導き出された。

【００３９】次に、前記Ｌｕｐ≦Ｌｐ＜Ｌという条件の
もとで、液室１１の配列方向の長さＬとの関係につい
て、液室中央部の最大変位量を調べることにより最適化
実験を行った。尚、振動板部位はＳｉ７μｍ、Ｓｉ熱酸
化膜０.３μｍ、下部電極の材料，厚さは前記したも
の、ＰＺＴ厚さは１４μｍ、上部電極は前述のものとし
た。そして、液室配列方向の辺の中央部に圧電素子の中
央部を配置し、ほぼ左右対称となるようにした。また、
印加電圧は０−２８Ｖの片電界駆動（電界強度２０ｋＶ
／ｃｍ相当）とした。Ｌ＝１２０μｍと固定し、Ｌｌｏ
は個別化せず（即ち、基板幅に相当）Ｌｕｐ，Ｌｐ，Ｌ
をそれぞれ変えたときの結果を表３に示す。

【００４０】

【表３】

【００４１】このように、配列方向における、液室１１
とＰＺＴ膜２２の大小関係は、変位量にあまり影響を与
えない。しかし、液室１１と上部電極２３の大小関係
は、振動板変位量に影響を与え、液室１１より上部電極
が大きくなれば、変位は低下する。以上の結果より、こ
のような状態にする平面的な寸法関係はＬｕｐ≦Ｌｐ＜Ｌである。

【００４２】以上に述べた平面的な寸法関係のもとで、
次に液体噴射実験を行った。液体としては染料を含まな
い水溶系有機ビヒクルを用いた。液室の配列方向の長さ
（単位μｍ）、液室の奥行き方行長さＷ，ＰＺＴ厚みＴ
ｐ、振動板厚みＴｖをパラメータとして液体噴射速度
（ｍ／秒）を測定した。駆動電圧は前述と同様の２０ｋ
Ｖ／ｃｍが圧電膜に印加されるよう、Ｔｐ厚さに対応し
て変化させた。また、印加パルスの立ち上がり速度は１
μｓｅｃとした。尚、各種膜厚は前述のものとした。そ
の結果を表４に示す。

【００４３】

【表４】

【００４４】以上の結果について考察してみる。まず、
Ｌ＝１２０μｍ，Ｗ＝６０００μｍ，Ｔｖ＝３μｍとい
う条件において、Ｔｐ＝６μｍの場合は噴射し、Ｔｐ＝
５μｍの場合は液体は噴射しない。これは液室内の液体
に与える圧力がＴｐ＝５μｍにおいては不足のためであ
ると考えられる。材料力学からの知見では、一般的に、
この圧力は、おおむねＴｐ＋Ｔｖの３乗に比例し、Ｌの
４乗に反比例する。従って、この条件に上記の実験結果
を当てはめると、

【００４５】

【数１】

【００４６】即ち α≦７４と範囲設定すれば、発生圧力としては、液体を噴射させ
るだけのものを与えることができる。

【００４７】また、この比例定数の値が小さくなれば、
液体噴射特性は向上することが期待でき、実際、Ｔｐ＝
１８μｍ，Ｔｖ＝９μｍのとき、液体噴射速度１０ｍ／
秒を記録している。ところが、Ｔｐ＝１８μｍ，Ｔｖ＝
２７μｍのとき、液体は噴射しなかった。これは、振動
板が厚くなってその剛性が高まり、液体を噴射させるだ
けの変位量が得られなくなったためである。従って、振
動板が厚すぎるのは好ましくなく、前記比例定数の適正
値は１８＜α＜７４とすることが必要になる。この状態（Ｔｐ＝１８μｍ，
Ｔｖ＝２７μｍ）で液体を噴射させる手段として、液室
の奥行き方向長さＷを更に大きくすることが考えられ
る。しかしながら、そのような構成にすればヘッド寸法
が平面的に非常に巨大化してしまい、実用的な範囲から
逸脱してしまう。

【００４８】また、振動板形状から決定される、構造体
の共振周波数の低下を招き、拘束駆動に対し不利な方向
に働く。更に、素子製造のコスト高，歩留まりの低下を
招く。従って、インクジェットヘッドの平均的な小型
化，高速化，高集積化に対しては、上記実験結果より、Ｔｐ≧Ｔｖ及びＷ／Ｌ＜８０とするのが望ましい。また、Ｌ＝１５０μｍ，Ｔｐ＝１
０μｍ，Ｔｖ＝５μｍにおいて、Ｗ＝１５００μｍでは
液体噴射し、Ｗ＝７５０μｍでは液体噴射しない。これ
は、Ｗ＝μｍでは液体を噴射させるだけの液室の奥行き
長さが短すぎるためである。従って、Ｌ＝１５０μｍ以
下として高密度で液室を配列させる場合、Ｗ／Ｌ＞５と
することが必要であることが分かった。

【００４９】

【発明の効果】請求項１に対する効果（実施例１，４対
応）インクジェットヘッドを構成する部位の寸法関係を最適
化し、従来では困難だった小型・高密度ヘッドを実現し
た。

【００５０】請求項２に対する効果（実施例２対応）層間絶縁膜・コンタクト開口構造を取ることにより、更
なる性能向上と製造工程の安定化に寄与した。

【００５１】請求項３に対する効果（実施例３対応）加工制度の要求される部位に対し、工程の安定化を図
り、更なる性能向上と製造工程の安定化に寄与した。

【００５２】本発明は、小型・高密度・改善された特
性、という特徴を生かし、小型かつ高性能なインクジェ
ットヘッドとして最適である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が適用されるピエゾオンデマンド型イ
ンクジェットヘッドの基本構成の一例を示す図である。

【図２】本発明の実施例におけるインクジェットヘッ
ドの層構成，形状を示す図である。

【図３】本発明の実施例における、単結晶Ｓｉ基板に
圧電素子及び液室を形成するまでの製造工程を示す断面
図である。

【図４】第２の実施形態であるインクジェットヘッド
の構成を示す図である。

【図５】第３の実施例であるインクジェットヘッドの
構成を示す図である。

【符号の説明】

１…振動板、２…加圧液室、３…蓋部材、４…共通イン
ク流路、５…ノズル板、６…ノズル、７…共通インク流
路形成板、８…ノズル連通穴、９…インク供給口、１０
…液室基板、１１…液室、１２隔壁、１３…振動板、２
０…圧電素子、２１…下部電極、２２…圧電膜、２３…
上部電極、２４…層間絶縁膜、２５…コンタクトホー
ル。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】噴射すべき液体を保持するための液室加
工が施され該液室の壁面の一部が振動板に形成されたＳ
ｉ単結晶基板と、前記振動板上に形成された下部電極，
圧電膜，上部電極よりなる圧電素子と、前記液室に連通
するノズル及び流体抵抗流路とを有し、前記液室，ノズ
ル，液体抵抗流路，振動板，及び、圧電素子が複数個配
列されてなり、前記圧電素子に電界を印加して前記振動
板をたわませて前記液室の容積を変化させることによ
り、前記液体抵抗流路を介して前記液室内に供給された
液体を前記ノズルより外部に噴射させるインクジェット
ヘッドにおいて、前記液室の配列方向の長さをＬ、前記
液室の奥行き方向の長さをＷ、前記圧電膜の厚みをＴ
ｐ、前記振動板の厚みをＴｖとしたとき、１）５＜Ｗ＜Ｌ＜８０２）Ｔｐ＞Ｔｖ３）Ｌ／（Ｔｐ＋Ｔｖ）＝α（１／Ｌ^0.333）、１８＜
α＜７４の関係を満たすことを特徴とするインクジェットヘッ
ド。
【請求項２】前記液室の配列方向における前記上部電
極の長さＬｕｐと、前記液室の配列方向における圧電膜
の長さＬｐと、前記液室の配列方向における下部電極の
長さＬｌｏと、前記液室の配列方向の長さＬとの関係
を、４）Ｌｕｐ≦Ｌｐ＜Ｌ５）Ｌｌｏ＞Ｌとしたことを特徴とする請求項１記載のインクジェット
ヘッド。
【請求項３】前記圧電素子における構成層であるとこ
ろの、下部電極，圧電膜，上部電極において、前記電極
に挟み込まれている前記圧電膜への一方の電極が、層間
絶縁膜，コンタクト孔を介して接続されており、液室の
配列方向におけるコンタクト孔の長さＬｃが、６）Ｌｃ≦Ｌｐの関係にあることを特徴とする請求項１又は２記載のイ
ンクジェットヘッド。
【請求項４】前記Ｓｉ単結晶基板において、前記液室
形成用の第１の凹部加工が、深さＤ１、液室の配列方向
における幅Ｗｖ１として片面より施され、対向する面か
らも第２の凹部加工が、深さＤ２、幅Ｗｖ２として施さ
れ、この関係が、７）Ｄ１＞Ｄ２８）Ｗｖ１≦Ｗｖ２の関係を持って形成される振動板構造を有することを特
徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のインクジェ
ットヘッド。